同異反模式的管道土壤腐蝕綜合評價

摘要：為了保證能源管道的運輸安全，減少管道事故的發生，提高管道土壤腐蝕評價的準確性，選取氧化還原電位、硫酸根離子含量、含水量、pH值和計算的平均腐蝕速率5種評價指標，通過集對理論將管道土壤腐蝕的5種多因素指標與土壤腐蝕等級組成集對，運用熵權計算法確定各指標權重，按照聚類分析思想的擇近原則，計算同異反模式的分類系統與待測系統聯系度之間的距離，從而辨別待測系統所屬的腐蝕級別。以川氣東送管道梁平段腐蝕埋片樣本數據為例，選用8組數據作為訓練樣本構造評價模型，另外8組數據作為檢驗樣本，模型對檢驗樣本的評價結果符合現場實際的腐蝕情況，為管道土壤腐蝕評價提供了方法指導。關鍵詞：管道；土壤腐蝕；集對理論；熵權計算法；聚類分析法 中圖分類號：TE 98

文獻標志碼： A

Integrated evaluation of the soil corrosion in pipeline

in contrary identical discrepancy model

ZHAO Zhifeng1，2，WEN Hu1，3，GAO Weixin2，GUO Jun1，3

（1.College of Energy Science and Engineering，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China；

2.School of Electronic Engineering，Xi’an Shiyou University，Xi’an，710065，China；

3.Key Laboratory of Western Mine Exploration and Hazard Prevention，Ministry of Education，Xi’an 710054，China）

Abstract：In order to guarantee the transportation safety of the energy pipeline，reduce the occurrence of pipeline accidents，and improve the evaluation accuracy of the soil corrosion on pipeline，we select five kinds of evaluation factors，REDOX potential，sulfuric acid root ion content，water content，pH value，and average corrosion rate.The five kinds of multifactor indexes of the soil corrosion on pipeline and the soil corrosion grade are made into a set pair with the set pair theory，determine the index weight by the entropy method，calculate the distance of the contact degree between the forecast system to test and the classification system in the contrary identical discrepancy model according to the choice of the nearly principle of the clustering analysis thought.Taking the corrosion buried piece data of the East gas pipeline Liang ping section in Sichuan as an example，choose eight sets of data as the training sample structure evaluation model，the other 8 sets of data as the test sample，the model evaluation results for the test sample conform to the actual situation.It provides a methodological guidance for the soil corrosion

evaluation.

Key words：pipeline；soil corrosion；set pair theory；entropy method；clustering analysis method

0引言

管道土壤腐蝕評價是管道的外腐蝕安全管理的重要組成部份，關系到管道能源運輸的安全[1]。目前的管道土壤腐蝕的評價方法有單因素指標法，該方法只考慮了土壤腐蝕的單因素指標，具有片面性[2]；層次分析法和灰色分析的模糊綜合評價法，這2種方法的權重系數確定具有主觀性，會對評價結果有較大影響[3-5]；神經網絡分析法，由于這種方法存在著訓練不足和訓練過度的問題，評價及預測性能都不穩定[6-7]。綜上所述得各種方法都帶有一定的局限性，普遍存在評價的精度和準確率不高的問題。針對管道土壤腐蝕多因素的特點，通過對土壤腐蝕多因素指標屬性的臨界區間（值）的分析，提出按照集對理論的思想，將多種腐蝕屬性因素與土壤腐蝕級別組成集對，運用熵權計算法確定集對聯系度中各指標的權重系數，從而建立根據土壤腐蝕級別確定的分類模式系統集對聯系度，并結合聚類分析法，計算待測系統集對聯系度與土壤腐蝕級別分類模式系統集對聯系度的同異反距離，根據“擇近原則”，辨別出待測系統所屬的土壤腐蝕級別。

1相關理論

1.1集對理論集對理論是將其研究的問題作為一個確定不確定系統。利用該系統屬性下的聯系，構成2個集合并組成集對，運用集對聯系度來分類定量描述，其聯系度表達式為：

U=a+bi+cj，其中a表示集對的同一程度，稱為同一度；b表示集對的差異不確定程度，稱為差異度；c表示集對的相反對立程度，稱為對立度。i為差異度標記符號或相應系數，取值范圍[-1，1]；j為對立度標記符號，規定取值為-1，a，b，c滿足歸一化條件a+b+c=1[8-9]。

1.2熵權計算法在有T個評價指標（因素）、Y個被分類對象的區域系統內，可以按照定性和定量相結合的原則，Y個被分類對象對應于T個評價指標的因素值構成評價矩陣R

R=

a11…a1T

ar1…arT

，

（1）對評價矩陣

R作標準化處理，得到矩陣R′

R′={a′iv}r×T，（2）

其中

a′iv

=aiv-min{aiv}

max{aiv}-

min{aiv}

，0≤a′iv≤1.

定義評價指標的熵。在有T個評價指標，Y個被分類對象的區域系統內，定義第v個評價指標的熵值為

Hv=-Kγi=1fivlnfiv，（v=1，2，3，…，T）（3）

式中fiv=a′iv

γi=1a′iv

，K=1lnY

，并假定fiv=0時

fivlnfiv=0，第v個評價指標的熵權ωv為

ωv=1-Hv

T-Tv=1Hv

.

（4）顯然，

0≤ωv≤1，

Tv=1ωv=1[10].

2管道土壤腐蝕綜合評價模型構建實例分析

1）以川氣東送管道梁平段為例，將該管道段的土壤腐蝕作為一個確定不確定系統N考慮。其中針對具有影響的4種因素和計算所得的平均腐蝕速率，隨機選取該段16組腐蝕因素埋片樣本數據，具體見表1[11]。埋片樣本數據的實際土壤腐蝕等級依據管道完整性管理中SY/T6477-2000含缺陷油氣輸送管道剩余強度評價方法，第1部分體積型缺陷；SY/T6151-2009鋼質管道管體腐蝕損傷評價方法，以及SY/T0087.1-2006鋼質管道及儲罐腐蝕評價標準埋地鋼質管道外腐蝕直接評價的標準規范要求。對埋片進行表面檢查和腐蝕坑深度和大小的計算而得出。

2）定義管道土壤腐蝕的分類模式系統N={N1，N2，…，Nn}，n=5.其中N1=（土壤腐蝕極低），N2=（土壤腐蝕輕微），N3=（土壤腐蝕中等），N4=（土壤腐蝕嚴重），N5=（土壤腐蝕非常嚴重）。3）以表1樣本數據的8組數據作為訓練樣本，見表2.剩下的8組數據作為檢驗樣本，對模型的評價效果進行檢驗。定義管道土壤腐蝕N的分類模式系統

N={N1，N2，N3，N4，N5}與氧化還原電位、硫酸根離子含量、含水量、pH值、平均腐蝕速率，5個因素有關（T=5），根據集對原理，將影響管道土壤腐蝕的5個單因素綜合為多因素評價指標作為指標因素集第一集合。把管道土壤腐蝕等級中的5種等級作為第二個集合，將這2個集合構成一集對。根據《NACE SP0502-2010》，《管道風險評價手冊》以及參考文獻[4][7][12-14]，建立管道土壤腐蝕因素參照樣本指標臨界區間，見表3.

在腐蝕等級五級的要求下，根據集對原理進行五級變換，其聯系度表達式為：U=a+b1i1+b2i2+cj，其中a表示2個集合的同一程度，稱為同一度；將原bi集對的差異不確定程度，分割為b1i1集對的偏同差異度和b2i2集對的偏反差異度；c表示2個集合的對立程度，稱為對立度；i1為偏同差異度標記符號或相應系數，取值范圍[-1，1]；i2為偏反差異度標記符號或相應系數，取值范圍[-1，1]；j為對立度標記符號，規定取值為-1，a，b1，b2，c滿足歸一化條件a+b1+b2+c=1[15].對于樣本屬性指標集的臨界區間，其值越小越優的指標情況下，樣本屬性指標臨界值集與該分類模式集對原理下的計算式為

3結論1）通過同異反模式的多方法綜合評價模型對川氣東送管道梁平段的實例分析，表明只有綜合考慮土壤腐蝕各因素的影響和之間的相互聯系，才能提高管道土壤腐蝕評價的準確性；2）運用熵權計算法分析管道土壤腐蝕因素實例數據的客觀信息，確定各因素的權重的大小和主次關系，有效避免了指標權重確定時的主觀性。

參考文獻References

[1]文虎，趙志峰，郭軍.集對理論聚類分析法綜合預測煤與瓦斯突出[J].西安科技大學學報，2015，35（5）：547-554.

WEN Hu，ZHAO Zhifeng，GUO Jun.Comprehensive forecast of coal and gas outburst on the basis of set pair theory and clustering analysis method[J].Journal of Xi’an University of Science and Technology，2015，35（5）：547-554.[2]Brito A J，Almeida A T.Multiattribute risk assessment for risk ranking of natural gas pipelines[J].Reliability Engineering and System Safety，2009，94（2）：187-197.[3]李佩，楊偉.改進層次分析法和模糊灰色理論的管道土德腐蝕評價[J].油氣儲運，2006，25（4）：27-33.

LI Pei，YANG Wei.Evaluation on the corrosion rate of pipeline with analytic hierarchy process and fuzzy comprehensive evaluation method[J].Oil and Gas Storage and Transportation，2006，25（4）：27-33.[4]柳華偉，陳楊.模糊綜合評價法在埋地管道腐蝕狀況評價中的應用[J].石油工程建設，2011，37（5）：43-45.

LIU Huawei，CHEN Yang.Application of fuzzy integrated evaluation method in evaluating corrosion state of buried pipeline[J].Petroleum Engineering Construction，2011，37（5）：43-45.[5]Alamilla J L，EspinosaMedina M A，Sosa E.Modeling steel corrosion damage in soil environment[J].Corrosion Science，2009，51（11）：2 628-2 638.[6]韓小明，苗繪，王哲.基于大數據和神經網絡的管道完整性預測方法[J]油氣儲運，2015，34（10）：1 042-1 046.

HAN Xiaoming，MIAO Hui，WANG Zhe.Pipeline integrity prediction method based on big data and neutral network[J].Oil and Gas Storage and Transportation，2015，34（10）：1 042-1 046.[7]Li S X，Yu S R，Zeng H L，et al.Predicting corrosion remaining life of underground pipelines with a mechanicallybased probabilistic model[J].Journal of Petroleum Science and Engineering，2009，65（3）：162-166.[8]趙克勤.集對分析及其初步應用[M].杭州：浙江科學與技術出版社，2000.ZHAO Keqin.Set pair analysis and its preliminary application[M].Hangzhou：Zhejiang Science and Technology Press，2000.[9]趙志峰，文虎，郭軍.基于多方法融合的煤與瓦斯突出綜合預測[J].煤礦安全，2015，46（11）：160-163.

ZHAO Zhifeng，WEN Hu，GUO Jun.Comprehensive forecast of coal and gas outburst based on multiple methods[J].Safety in Coal Mines，2015，46（11）：160-163.[10]王書明.煤礦安全投入系統分析及其決策的研究[D].北京：中國礦業大學，2008.

WANG Shuming.Study on system analysis and decision of coal mine safety input[D].Beijing：China University of Mining and Technology，2008.[11]秦曉霞.埋地管道土壤腐蝕性與防護研究[D].青島：中國石油大學（華東），2009.QIN Xiaoxia.Research on soil corrosion and protection of pipeline[D].Qingdao：China University of Petroleum（EastChina），2009.[12]胡世信.陰極保護手冊[M].北京：化學工業出版社，1999.

HU Shixin.Cathodic protection manual[M].Beijing：Chemical Industry Press，1999.

[13]劉春波.埋地鋼質管道腐蝕防護模糊綜合評價技術研究[D].北京：北京工業大學，2007.LIU Chunbo.Research on fuzzy comprehensive evaluation technology of corrosion protection for buried steel pipeline[D].Beijing：Beijing University of Technology，2007.[14]張弛，王凱全.基于可拓學的燃氣管道土壤腐蝕性評價[J].油氣儲運，2010，29（11）：848-851.

ZHANG Chi，WANG Kaiquan.Soil Corrosivity assessment of gas pipeline based an extenics[J].Oil and Gas Storage and Transportation，2010，29（11）：848-851.[15]劉雙躍，王娟，何發龍.四元聯系數對煤礦安全質量標準化的優化研究[J].中國安全生產科學技術，2012，8（12）：32-37.

LIU Shuangyue，WANG Juan，HE Falong.Optimization research of coal mine safety quality standardization based on fourelement connection number model[J].Journal of Safety Science and Technology，2012，8（12）：32-37.[16]方開泰，潘恩沛.聚類分析[M].北京：地質出版社，1982.

FANG Kaitai，PAN Enpei.Clustering analysis[M].Beijing：Geological Press，1982.

[17]高潔，盛昭瀚.集對分析聚類預測法及其應用[J].系統工程學報，2002，17（5）：458-462.

GAO Jie，SHENG Zhaohan.Method and application of set pair analysis classified prediction[J].Journal of Systems Engineering，2002，17（5）：458-462.